Новый путь к урожайности — настройка микробиома
Изучение и регулирование микробных сообществ может стать новым инструментом для производства сельскохозяйственных культур. Вероятно, уже в ближайшем будущем оснащение растений естественными продуктивными микробиомами и поддержанием этих сообществ в равновесии позволит изменить схемы питания и защиты сельхозкультур.
Микробиологи считают, что следующая волна инноваций в растениеводстве будет не в направлении скрещивания растений или перепрограммирования их генов, а в «настройке» сообщества микробов, которые живут внутри культур, на них и вокруг них.
У растений тоже есть микробиомы, и эти миллиарды крошечных защитников могут помочь им расти и бороться с атакующими их патогенами. Исследователи пытаются понять законы существования этих микробных групп и управлять ими, чтобы помочь растениям стать более устойчивыми к засухе, жаре и инфекциям. По мере распространения болезней сельскохозяйственных культур, устойчивые к ним растения с обогащенными микробиомами могут стать жизненно важными для обеспечения стабильного снабжения продовольствием растущего населения.
Такого мнения придерживается Томислав Чернава, микробиолог из Технологического университета Граца в Австрии. Он уверен, что будущее растениеводства за оснащением растений естественными продуктивными микробиомами и поддержание этих сообщества в равновесии.
Микробы, связанные с растениями, были открыты давно, а отдельной областью исследований стали на протяжении последних десятилетий. Уже известно, что микробиомы в почве могут помочь растениям усваивать питательные вещества, такие как азот, например. Внимание исследователей привлекали и связанные с корнями грибы, которые были способны помочь растениям общаться друг с другом. А сравнительно недавно ученые решили заглянуть внутрь семян, чтобы узнать больше о скопившихся там микробах.
Чернава и группа его сторонников описали микробиом семян риса в новой статье, опубликованной в январе в журнале Nature Plants.
Другая группа ученых из КНР обнаружила, что биологическая защита некоторых рисовых растений в прибрежной провинции Чжэцзян перестала работать из-за инфекции, вызванной бактериями Burkholderia plantarii. В то же время, другие были к ним невосприимчивыми. Растения считались вполне идентичными; они были выращены из одного сорта или сортов «генетических близнецов».
К более детальному изучению этого противоречия подключилась группа Томислава Чернавы. Оказалось, что растения, которые были восприимчивы к инфекции, имели другой микробиом семян. В частности, у восприимчивых растений было меньшее количество бактерий под названием Sphingomonas, которая сдерживала патогенные бактерии, производя кислоту, которая не позволяла захватчикам производить трополон, химическое вещество, замедляющее рост рисовых растений.
Исследователи затем установили, что иммунитет от инфекции можно передать чувствительным растениям путем добавления большего количества Sphingomonas в их микробиом. А именно: растения можно было защитить и путем добавления защитной кислоты непосредственно к чувствительному растению.
Эта методика очень порадовала некоторых исследователей: передача иммунитета путем изменения микробиома, особенно в дикой природе, считалась очень трудной задачей. Как признали участвовавшие в исследованиях коллеги, это — один из немногих случаев, когда методики, примененные для решения проблемы, действительно работали в полевых условиях. Об этом, в частности, сообщал Шэнян Хе, биолог растений из Университета Дюка, который принимал участие в исследованиях.
Ш. Хэ пояснил, что исследователи длительное время наблюдали проявления иммунитета от бактерий и выделяли наиболее важные источники защитных реакций. Но когда приходило время использовать бактерии в качестве средства вмешательства в более сложную систему с преобладанием диких бактерий и дикими растениями, исход экспериментов, чаще всего, был негативным. Ученые обычно в таких случаях сходились во мнениях о том, что виной всему были другие условия окружающей среды или особенности локальных микробных сообществ.
Иное понимание проблемы предложил Мэтт Аглер, исследователь микробиома растений из Йенского университета Фридриха Шиллера в Германии. Он предположил, что каждый отдельный вид бактерий является лишь частью гораздо более крупного микробиомного сообщества, которое все в целом влияет на его взаимодействие с другими растениями.
По словам Аглера, понимание того, как микробное сообщество работает «в команде», жизненно важно для исследователей и фермеров, надеющихся использовать микробиом. В его представлении, хотя отдельные виды бактерий могут оказывать определенное положительное воздействие, существует множество иных угроз, с которыми сталкивается растение. И очень возможно, что в различных случаях помощь растениям смогут оказать любые другие микробы.
Если исследователи найдут способы справиться с этими сложностями, микробиом может стать благодатной почвой для широкого спектра вмешательств в жизнь растения, направленных на поддержание поставок ему продуктов питания.
Исторически, люди в течение тысяч лет различными способами разводили растения для получения наиболее желаемых характеристик. Однако, сегодняшние вмешательства в жизнь растений в основном происходят в лабораторных условиях с помощью методов генной инженерии. По данным Pew Research Center в 2016 году 39 процентов респондентов считали, что ГМО продукты хуже для их здоровья, чем другие.
На этом фоне, предложенная идея корректировки микробиомов растений выглядит гораздо менее спорным подходом. Возможно, миру предоставляется возможность забыть о генной инженерии? Если удастся успешно пересаживать благоприятное микробное сообщество на растения, которые обычно не имели такового, — возможно, это окажется более естественным?
Во всяком случае, уже существуют несколько компаний, которые используют силу микробов для фермеров, продавая бактерии и грибы в качестве органических пестицидов или семян, покрытых полезными бактериями, чтобы предоставлять питательные вещества.
Есть еще одно важное обстоятельство. Поскольку бактерии Sphingomonas на самом деле живут внутри семян риса, иммунитет, который они обеспечивают, может передаваться от поколения к поколению рисовых растений. Видимо, в этой связи еще предстоит опровергнуть или подтвердить предположения о том, что изменение внутреннего микробиома может быть больше похоже на разовую профилактическую меру, чем на лекарство, которое нужно использовать постоянно.
В настоящее время группа ученых – инициаторов продолжают работу, и, по словам ее руководителя, они «обязательно будут учиться у природы» на пути совершенствования предложенного ими метода помощи растениям.
Думается, что изложенные методы работы с микробиомом растений, несомненно, привлекут внимание немалого числа российских специалистов, занимающихся аналогичными исследованиями. Изменение связанных с растениями микроорганизмов обеспечивает, безусловно, кратчайший путь к более быстрым и относительно легко настраиваемым стратегиям улучшения растений. Позитивные результаты в этом направлении стали бы хорошими новостями и для сельхозпроизводителей: это приведет к снижению количества удобрений и пестицидов для получения хороших урожаев. Новые разработки по этой тематике ведутся и в России, в частности, на биологическом факультете Санкт-Петербургского государственного университета.
